本发明是使用通过快速原型制造技术制造的非传热性塑料模具制造原 型塑料注模部件的方法和设备。原型部件最好由可评估产品部件的强度的 生产用的热塑性材料制成。生产用的热塑性材料通过一台压出机以缓慢的 低压过程在等温条件下注入模具的模具腔体中，以形成所说的原型部件。 压出机可以是丝线泵(filament pump)(即，FDM头)、活塞泵、螺旋泵或 其它的压出机。原型部件在模具腔体中冷却到接近室温。对于生产用的热 塑性材料和形成模具的塑料进行选择，以使它们在冷却时具有基本上相同 的收缩特性。熔融淀积快速原型制造设备可以是用于执行注入的设备。
在一个优选实施例中，模具是通过熔融淀积成型技术(fused deposition modeling technique)制造的。在一个实施例中，模具被制成两个或更多个 部分，其中可热固化的非传热的材料的各个层是按照代表模具形状的计算 机文件数据淀积成预先确定的模型。每个模具部分都包括模具表面、配合 表面和支撑模具表面和配合表面的基座。几个模具部分一起确定模具腔 体。在一个可替换的实施例中，模具是由可溶解材料制成并且具有单体式 结构。
使用本发明，可在办公室环境中，由一名工程师在24小时之内从部件 的数字表示制造出一个注模的原型部件。允许设计工程师从CAD文件制 作注模部件，与快速原型制造允许设计工程师从CAD文件制作原型的方 式是类似的。
附图说明
图1是用于本发明的通过熔融淀积成型法制作的一个典型的模具的两 个模具部分的顶视平面图；
图2是沿图1的线2-2取的图1的两个模具部分的剖面图；
图3是按照本发明的快速原型制造注模设备的示意图，部分是剖面图；
图4是按照本发明制造原型注模部件的方法的流程图，其中使用了通 过熔融淀积成型技术制作的模具。 

本发明的方法和设备使用非传热性塑料模具制作原型注模部件，所说 的非传热性塑料模具最好使用快速原型制造技术制造。从在熔融淀积成型 设备中使用的那种类型的压出机挤出材料的液化带，从而可以进行注射。 挤出的材料以低速度和低压力注入模具的模具腔体中。在填充了模具腔体 后，允许这样形成的原型部件在模具的内部冷却。原型部件最好由可评估 产品部件的强度的生产用的热塑性材料制成。熔融淀积成型设备可用于原 型注模设备。
与制造注模过程相比，本发明使用低压力、低流速和慢循环时间，允 许使用非加固的塑料模具，并且提供适于办公室应用的安全过程。使用本 发明，可以在办公室友好(office-friendly)的环境中由一名工程师在约为 24小时的时间周期内从期望的原型部件的数字表示形成一个注模原型。
图1表示用于实施本发明的一个典型的模具10的两个半模具部分。这 个典型的模具是2003年4月4日提交的题目为“分层的淀积过渡模”的 国际专利申请No.PCT/US03/＿＿的主题，这个国际专利申请转让给本申 请的同一受让人，在这里通过引用的方式合并这个申请，如同这个申请是 在这里全文叙述的一样。模具10的第一部分12包括一个下凹的模具表面 14，它对应于期望的原型模制部件的第一半的形状。模具10的第二部分 16包括一个下凹的模具表面18，它对应于期望的原型模制部件的第二半 的形状。模具部分12和16中的每一个都有一个配合表面17和基座20， 如图2所示，基座20用于支撑模具表面14、18和配合表面17。当模具部 分12、16的配合表面17如图2所示配合在一起的时候，模具表面14、18 确定了一个模具腔体19，模具腔体19具有期望的原型部件的形状。对于 具有内部腔体的原型模制部件，模具10还包括一个模具芯部。
每个模具部分12、16还包括一个注料道22、一个排气道24和4个对 准孔26。注料道22允许设置一个注入口，注入口将要插在模具10的最终 组件内，提供向模具腔体19内注入熔化的塑料的路径。在模具10被组装 时，各个排气道24共同形成用于从模具腔体19排放气体的通道。
对准孔26接收螺钉或销钉，在组装模具10的过程中用于对准并将模 具部分12、16夹持在一起。模具10还可以任选地包括冷却管路，在注入 过程期间引入冷却剂流。
在一个可替换的实施例中，模具是由可溶解的成型材料制成，并且具 有单体结构。可溶解材料允许使用单体结构，因为在部件成形后，可从原 型部件上溶解模具。对比之下，要通过机械方法拆卸模具部分，才能将由 不可溶解材料制成的模具从原型部件上拆下来。适当的可溶解成型材料是 碱可溶解材料，包括含羧酸的原料聚合物以及增塑剂。原料聚合物包括第 一共聚单体(包含羧酸)和第二共聚单体，第二共聚单体与第一共聚单体 聚合，以提供适合于熔融淀积成型的热性质和韧性性质。优选的原料聚合 物包括用作第一共聚单体的甲基丙烯酸和用作第二共聚单体的甲基丙烯 酸烷基酯(例如甲丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丙酯或甲基 丙烯酸丁酯)，优选的第二共聚单体是甲基丙烯酸丁酯。含酸的第一共聚 单体的期望数量是原料聚合物重量的15-60％。对于原料聚合物进行塑 化，以获得成型过程所期望的流变性质。最优选的是，碱可溶解热塑性材 料按重量计包含约84％和74％之间的原料聚合物，并且包含按重量计占 约16％和26％之间的增塑剂，并且在温度为230℃和负载为1.2千克的情 况下的熔化流动指数在5克/10分钟和10克/10分钟之间。将包含部件 的模具放在碱池内，就可以从原型部件上拆除由碱可溶解材料制作的模 具。碱可溶解成型材料是共同待审查的美国专利申请No.10/019160及其对 应的国际专利申请No.PCT/US00/10592(作为WO 00/62994公布的)的主 题，在这里参照引用了这个申请，就好像它在这里全文叙述的一样。
用在本发明中的模具最好从代表模具的计算机文件数据通过快速原型 制造过程如熔融淀积成型技术制造。计算机文件数据是从在期望的原型注 模部件上可得到的信息获得的。例如，在一般情况下，使用计算机辅助设 计(CAD)系统对部件进行设计，并且从定义期望部件的计算机辅助设计 文件可获得有关部件的轮廓的对应的信息。计算机程序按照期望部件的轮 廓设计模具部分，模具部分的形状与期望的部件形状相反。例如，从 Moldflow公司可得到的软件就是用这种方式设计模具部分的。另外一种软 件程序将模具部分的计算机表示“切片”成各个水平的层。
熔融淀积成型技术按照代表模具的计算机文件数据以预定的模式挤压 熔融成型材料，由此分层地构筑3维的物体，如本发明的模具。成型设备 一层一层地挤压出成型材料的路径，每个挤压出来的路径的厚度等于一片 的高度。挤出的材料熔化到先前淀积的材料上，并在温度下降时固化，以 形成模具部分。在成型设备中可同时构造多个模具部分，或者一次构造一 个模具部分。在一个优选实施例中，模具部分12和16是在Stratasys TitanTM FDM熔融淀积成型设备上由聚苯基砜树脂构造的。
注料道22、排气道24和对准孔26最好在构造模具时就形成在模具部 分12和16中。为此，要在代表模具10的计算机文件数据中包括这样一 些特征。按照另一种方式，可以在制成模具部分12和16之后再在模具部 分12和16中加工出注料道、排气道和/或对准孔。在典型的模具10中 示出的这些通道22和24和对准孔26只是这些特征的布局和设计的一个 例子。可替换的设计包括：垂直取向的通道22和24，在模具部分12和 16中的一个模具部分或者另一个模具部分内形成单个注料道或排气道。
通过控制路径(road)的压出模式以使模具10具有内在的孔隙率，可 提供开放单元基体，足以对来自模具腔体19的气体进行通风，从而在模 具10中可以不再需要排气道。在美国专利No.5653925中给出了有关控制 孔隙率的熔融淀积成型技术的教导。
从可以承受注模过程的温度和压力的非传热性热塑性材料形成典型的 模具10，从而可以产生至少一个原型塑料注模部件。典型的热塑性材料包 括按重量计至少50％的从以下的一个组中选出的一种热塑性材料：聚碳酸 酯、聚苯乙烯、丙烯酸类树脂、无定形聚酰胺、聚酯、聚苯基砜、聚砜、 聚苯醚、尼龙、PEEK、PEAK、聚(2-乙基-2-噁唑啉)以及它们的混合物。 热塑树脂可以包含各种填充物、添加剂等，正如本领域的普通技术人员所 理解的那样。在利用熔融淀积成型技术产生模具中使用的特别优选的热塑 性材料是基于聚苯基砜的树脂。
图3表示按照本发明的一个典型的快速原型注模设备30，所说设备正 处在制造原型部件的过程中。设备30包括：具有分配嘴34的压出头32、 材料源36、控制器38、成型外壳39和中空注入口35。模具10安装和定 位在设备30内。在安装模具10之前，在模具表面14和18上形成脱模剂， 从而便于从模具10上拆除完成的部件。合适的脱模剂包括干膜润滑剂以 及本领域的普通技术人员认可的其它的润滑剂。模具10安装在成型外壳 39中。注入口35放在注料道22中，使注入口35的分配端指向模具腔体 19内。注入口35在它的顶端有一个入口37，对入口37进行设计使其与 向下的压出头的挤压嘴34相互配合。注入口的入口37接收压出头的挤压 嘴34，并且固定到挤压嘴34上，借此提供从压出头32到模具腔体19内 部的流动通路。优选地，为压出头的挤压嘴34提供一个绝热体，以使挤 压嘴34不会熔化正在形成的原型部件。还有，在注入口中设置一个压力 传感器(未示出)以监测模具腔体内的压力，以便保持预定的压力。
设备30可以是熔融淀积成型设备。然而，应该理解，与熔融淀积成型 技术不同，本发明的过程不涉及压出头的任何平移移动。压出头32可以 是能接收热塑性材料并能通过分配嘴以低流速和低压力分配熔融状态的 材料的任何类型的压出头。对于熔融淀积成型技术，已经开发了适用的压 出头，包括液化器泵、活塞泵和螺旋泵。为进行3维成型而开发的这些压 出头中的每一个都要接收固态形式的热塑性材料原料，并将热塑性材料加 热到期望的压出温度。
在这个典型实施例中，压出头32以由控制器38控制的速率接收生产 用热塑性材料的供应以从材料源36产生注模原型部件。如果典型实施例 的压出头32是液化器泵，则材料源36包括绕在卷轴上的柔性长丝，压出 头32要携带一组进料辊以促使长丝以可控的速率进入压出头。例如在美 国专利No.6004124中公开了液化器泵。如果典型实施例的压出头32是活 塞泵，材料源36包括在批量生产过程中提供的圆柱形热塑性材料供料杆。 在美国专利No.6067480中公开了一种活塞泵压出头。如果典型实施例的 压出头32是螺旋泵，材料源36要包括热塑性材料球。例如，在美国专利 No.5312224中公开了一种螺旋泵压出头。两级的压出头在本领域中也是公 知的，也可以用在本发明的实施中。在美国专利No.5764521中公开了一 种压出头，其中从材料源36接收的原料可以在一个两级的过程(可以采 取各种形式)中加压。
压出头32可以包括一个超声振动器，用于在分配嘴出口产生一个触变 流，如在美国专利No.5121329中公开的那样。超声能量可能会减小注入 压力，同时可能提高生产用的热塑性材料的流速。
为了生产原型部件，从材料源36向压出头32提供生产用的热塑性材 料，压出头32将生产用的热塑性材料加热到压出温度并且通过注入口35 分配熔融的压出材料33，使其进入模具腔体19中。在本发明中可以使用 的生产用的热塑性材料包括但不限于：ABS、聚碳酸酯、聚苯乙烯、丙烯 酸树脂、非晶聚酰胺、聚酯、聚苯基砜、聚苯醚、尼龙、PEEK、PEAK 以及它们的混合物。生产用的热塑树脂当然可以包含各种填充物、添加剂 等。模具塑料的收缩特性应与生产用的热塑性材料的收缩特性一致，这可 通过使用非晶热塑性材料实现。还有，生产用的热塑性材料的热变形温度 必须小于形成模具的塑料的热变形温度，以使模具可以保持其形状。
图4是一个流程图，总括了按照本发明使用通过熔融淀积成型技术制 作的模具制造原型注模部件的典型方法。在步骤40中，使用计算机辅助 设计工具产生代表模具的计算机文件数据。在步骤42，将所说的数据提供 给熔融淀积成型设备。在步骤44，在熔融淀积成型设备中分层地构造模具， 所说的层是由计算机文件数据确定的。在步骤46，使模具的模具表面和/ 或配合表面平滑，以去除在模具形成过程中意外产生的皱褶。
在一个优选实施例中，平滑处理是以蒸气平滑过程的形式进行的，蒸 气平滑过程是2003年4月4日提交的题目为“用于分层淀积成型的平滑 方法”的国际专利申请No.PCT/US03/＿＿的主题，该申请已转让给与本 申请相同的受让人，这里参照引用了这个申请，就好像它在这里全文叙述 的一样。如在所说的共同待审查的申请中所公开的那样，将模具放在一个 蒸气设备中，使其暴露到一种溶剂的蒸气中，从而对模具表面进行平滑处 理，直到获得期望的表面光洁度为止。对于所说的溶剂进行选择，使其可 与形成模具的材料相容。合适的溶剂应能与所说的材料起反应，以软化目 标表面的材料并且使这种材料可以流动。与大范围的非晶热塑性材料一起 使用的优选材料是二氯甲烷。其它的合适的溶剂也是本领域的普通技术人 员认可的，例如，n-丙烯溴溶液(如，Abzol)、全氯乙烯、三氯乙烯和 氢氟碳液体(销售名称为Vertrel)。蒸气平滑处理还用于密封模具表面。 如在所说的共同待审查的申请中所教导的那样，在蒸气平滑步骤之前，可 以识别出用于溶剂屏蔽(掩模)或预变形的某些模具特征，代表模具的计 算机文件数据可以包括识别所说特征的数据。按另一种方式，可以通过涂 敷液体溶剂进行平滑处理。其它的可替换的平滑处理技术包括喷砂、研磨 和热熨。
然后，在步骤48，用脱模剂涂敷模具的模具表面(可溶解的模具可以 不用脱模剂)。合适的脱模剂包括干膜润滑剂，以及其它的本领域的普通 技术人员认可的脱模剂。如果需要的话，在步骤48之前可在模具内部加 工出注料道、排气道和对准孔。在步骤50，将模具安装在按照本发明的原 型注模设备中，其中不需要附加任何传热的填充材料或填充层。用于制造 模具的熔融淀积成型设备还可以用作原型注模设备。
在步骤50中，在模具中定位注入口，并且将注入口连接到压出头的分 配嘴上。可以使用夹紧装置或其它装置将模具夹紧到一个固定装置上以使 其保持就位。小于或等于约为10吨的夹持力将保证注入过程的办公室适 用性。然后在步骤52将模具加热到预定的温度。
然后，在步骤54，进行注模操作。从注模设备的压出头向模具低速和 低压力地注入生产用的热塑性材料。如果在压出头中使用超声振动器，则 将注入热塑性材料的一个触变流。在注入期间，最好进行压力监视，如通 过设置在模具腔体或注入口中的压力传感器。系统控制器可以根据从传感 器上读出的压力来调节压出流速，以将压力维持在目标范围内。目标压力 通常小于5000psi(每平方英寸的磅数)，并且可以将目标压力设置成小于 500psi，直到小于20psi(接近于0的压力)。
充满模具腔体一般需要1-2个小时左右的时间。在这段时间内，模具 和生产用热塑性材料的温度大致保持不变，因为塑料模具是具有高热阻的 隔热体。在一个典型实施例中，在注入步骤54之前将模具加热，以提供 等温条件。可以使用各种技术来加热模具，如本领域的普通技术人员所认 可的技术。可以在模具腔体中放置温度传感器，这样可以根据需要调节热 塑性材料流、模具和/或制造环境的温度，以维持等温条件。将模具温度 保持在近似生产用热塑性材料的压出温度，可以防止生产用热塑性材料过 早地固化，从而可在原型部件硬化之前完全填满模具腔体。然而，应该理 解，某些材料和过程参数可以提供等温条件而不需要对模具进行预热，在 这种情况下可省略步骤52。还有，最好只加热模具腔体和模具表面，而不 是加热整个模具。
在注入步骤55期间以及在此之前，可对模具抽真空。为此目的，例如， 可以将模具放置有一个真空室内。真空将使气体通过模具的孔隙或通过通 风孔从模具和注入口排走。真空有助于将注入的材料吸入模具腔体内。与 在常规大气压条件下的情况相比，真空也有助于更加充分地和连续地填充 模具腔体，产生没有空隙的部件。
在填满模具腔体时，在步骤56，终止材料向模具腔体内的注入，允许 原型部件在模具内部冷却。冷却可能需要1-2个小时。在冷却期间，可 在模具上加压，以补偿模具和原型部件的收缩。根据需要，可以使用有源 冷却来加速冷却过程。另外，在冷却期间继续监视模具腔体内的压力。模 具内的冷却可以继续到原型部件达到室温时为止，或者在大体上冷却时拆 下部件。
使用本发明的方法，在24小时的时间周期内可产生一个原型塑料注模 部件。在48小时内，可制造出多达50个原型注模部件。
应该理解，在实施本发明中使用的模具不限于通过淀积成型方法制造 的热塑性材料模具。相反，可以使用适用于注模过程的任何非传热的塑料 模具，包括诸如通过立体光刻法形成的模具、热固化模具和通过机械去除 方法(如CAM/CNC)形成的模具。形成模具的塑料材料可以包括各种填充 物、添加剂等。
虽然参照优选实施例已经描述了本发明，但本发明由权利要求书限定。 本领域的普通技术人员应该认识到，在形式上和细节上都可以变化而不会 偏离本发明的构思和范围。
例如，在一个可替换的实施例中，模具是透明的，并且使用光聚合物 来形成原型部件。将光聚合物注入模具腔体内，并且通过暴露到光中使其 固化。在另一个实施例中，使用的是热固化反应注模技术。将两个或多个 反应物材料混合在一起，以形成热固化树脂，将热固化树脂注入模具中。 通过对模具加热使树脂固化从而形成原型部件。